Des chercheurs de la TU Wien ont découvert un matériau où les électrons n'agissent plus comme des particules distinctes, mais qui présente encore des propriétés topologiques considérées comme nécessitant un tel comportement. Cette découverte dans le composé CeRu₄Sn₆ remet en question des hypothèses bien établies en physique quantique. Les résultats suggèrent que les états topologiques sont plus universels qu'on ne le pensait.
Les physiciens ont traditionnellement décrit les électrons comme de minuscules particules se déplaçant dans les matériaux, un modèle qui sous-tend les explications des courants électriques et des concepts avancés comme les états topologiques de la matière. Ces états, qui ont valu un prix Nobel en 2016, étaient supposés dépendre d'électrons ayant des positions et des vitesses bien définies. Cependant, une étude de la TU Wien révèle que cette image particulaire peut s'effondrer complètement tout en maintenant les caractéristiques topologiques. Le matériau en question, CeRu₄Sn₆ —un composé de cérium, ruthénium et étain— a été examiné à des températures juste au-dessus du zéro absolu. Là, il affiche un comportement critique quantique, oscillant entre deux états sans s'établir sur l'un. «Près du zéro absolu, il présente un type spécifique de comportement critique quantique», note Diana Kirschbaum, auteure principale de l'étude. «Le matériau oscille entre deux états différents, comme s'il ne pouvait se décider sur l'un d'eux. Dans ce régime oscillant, l'image des quasiparticules est censée perdre sa signification.» Malgré cela, des expériences ont détecté un effet Hall anomal spontané dans le matériau, où les porteurs de charge dévient sans champ magnétique externe —une marque des propriétés topologiques—. Cet effet était le plus fort au milieu des plus grandes fluctuations et disparaissait lorsqu'il était supprimé par pression ou champs magnétiques. «L'effet topologique est le plus fort précisément là où le matériau présente les plus grandes fluctuations», ajoute Kirschbaum. «Lorsque ces fluctuations sont supprimées par pression ou champs magnétiques, les propriétés topologiques disparaissent.» La prof. Silke Bühler-Paschen, de l'Institut de physique de l'état solide de la TU Wien, souligne la surprise : «Ce fut une énorme surprise. Cela montre que les états topologiques doivent être définis en termes généralisés.» Des collaborateurs de Rice University, dont Lei Chen et le prof. Qimiao Si, ont développé un modèle théorique reliant la criticité quantique à une phase de semimétal topologique émergent. La découverte implique que le comportement de type particule n'est pas essentiel pour la topologie, qui émerge par des distinctions mathématiques plus abstraites. Elle ouvre de nouvelles voies pour trouver des matériaux topologiques dans des systèmes critiques quantiques, potentiellement avançant le stockage de données quantiques et les capteurs. Les résultats paraissent dans Nature Physics (2026).